近日，上海交通大学樊春海、宋萍、左小磊团队在Nature Communications期刊上发表题为“Massively parallel homogeneous amplification of chip-scale DNA for DNA information storage (MPHAC-DIS)”的最新研究。该研究开发了基于热力学自由能驱动的高通量引物设计方法（MPHAC），实现了低浓度核酸序列的平行、均匀扩增。基于该方法构建的DNA存储系统与文本、图片、视频等多模态文件类型兼容，并以99%上解码正确率对任意文件子集进行随机访问。
随着全球数据量的指数级增长，DNA以其超高存储密度、长半衰期以及低能耗优势，成为解决大规模数据存储需求的重要突破口。然而，当前DNA信息存储仍面临显著挑战，包括高昂的DNA合成与测序成本等问题。基于芯片的大规模DNA合成技术可同时合成数百万条DNA分子，极大降低了合成成本，但其产物浓度通常仅为飞摩尔级，远低于二代测序所需的纳摩尔级浓度。传统扩增方法因效率差异，容易产生扩增偏倚，影响数据均一性和测序深度，导致数据读出的准确性下降及测序成本升高。
针对上述问题，团队开发了一种基于热力学控制的均一扩增方法（MPHAC）。该方法通过严格的热力学能控制，辅以GC含量筛选、二级结构检查、引物二聚体过滤、BLAST等手段，实现了对目标序列的高灵敏、高均一性扩增（图1）。相比传统定长引物设计，根据模拟结果，该方法拥有更均匀的扩增效率（Fold-80由3.2降至1.0），在大规模随机访问时最高可使成本下降4个数量级。基于该方法构建的DNA存储系统与多种文件类型兼容，并实现99%以上解码正确率。在此基础上，进一步结合对抗神经网络用于数据修复，最低可在1×测序深度下实现80%正确率。
图1 MPHAC与MPHAC-DIS总览图
团队使用编码自校正查找表的方式，将ASCII文件中每一个字节编码成5个碱基的核酸。通过合成35,406条DNA序列，编码了包含三字经、交大庙门、蒙娜丽莎、登月在内的文本、图片、视频文件，并实现了高效访问与解码（图2）。基于MPHAC优秀的扩增均一性与并行性，其有望推动DNA数据存储的文件存储数目与访问通量迈向新阶段。
图2 MPHAC-DIS 的均一扩增与无损索引
本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教育委员会“青年领军人才培养计划”项目、上海市科技创新行动计划等的资助。
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